渦街(jiē)流量計是二十世紀70年代發展起來(lái)的(de)一種新型流量儀表，由于頻(pín)率信号不受流體組分(fēn)、密度、壓力、溫度的(de)影(yǐng)響，量程寬，精度較高(gāo)，結構簡單，安裝維護方便，應用(yòng)範圍廣等優點，受到國内外廣大(dà)用(yòng)戶歡迎，發展較快(kuài)，應用(yòng)不斷擴大(dà)，在許多(duō)領域已替代了(le)差壓式流量計和(hé)其它流量儀表[1]。

  1 渦街(jiē)流量計測量計原理(lǐ)

把一個(gè)非流線型阻流體（BluffBody）垂直插入管道中，随著(zhe)流體繞過阻流體流動，産生附面層分(fēn)離現象，形成有規則的(de)旋渦列，左右兩側旋渦的(de)旋轉方向相反，這(zhè)種旋渦稱爲卡門渦街(jiē)，如圖1所示。

圖1 渦街(jiē)形成的(de)原理(lǐ)圖

    根據卡門的(de)研究，這(zhè)些旋列多(duō)數是不穩定的(de)，隻有形成相互交替的(de)内旋的(de)兩排旋渦，且渦列寬度d和(hé)同列相鄰的(de)兩旋渦的(de)間距l之比滿足一個(gè)常數時(shí)，這(zhè)樣的(de)渦列才是穩定的(de)。（對(duì)于圓柱形旋渦發生體這(zhè)個(gè)比例爲0.281）[2]。

    根據卡門渦街(jiē)原理(lǐ)，旋渦頻(pín)率f與管内平均流速u有如下(xià)關系：

 （1）

    式中：u1-旋渦發生體兩側平均流速（m/s）；d-旋渦發生體特征度；St-斯特勞哈爾數；m-旋渦發生體兩側弓形面積和(hé)管道内橫截面積之比。

    由此可(kě)得(de)瞬時(shí)體積流量與渦街(jiē)頻(pín)率的(de)關系爲：

（2）

    從上式可(kě)以得(de)到儀表系數K爲：

（3）

    式中：qv-通(tōng)過流量計的(de)體積流量（L/s）；f-流量計輸出的(de)信号頻(pín)率；k-渦街(jiē)流量計 的(de)儀表系數（1/L）。

    由上式可(kě)以看出，在St爲常數時(shí)，儀表系數k僅與旋渦發生體的(de)幾何參數有關，而與流體物(wù)性和(hé)組分(fēn)無關。因此，渦街(jiē)流量計 既可(kě)以測量液體，也(yě)可(kě)以測量氣體[3]。用(yòng)水(shuǐ)标定的(de)渦街(jiē)流量計 可(kě)以用(yòng)來(lái)測氣體。

圖2 St數與雷諾數的(de)關系

    圖2爲斯特勞哈爾數與雷諾數的(de)關系。從上圖可(kě)以看出管道内流體的(de)雷諾數若小于5×103時(shí)，測量将無法進行，因此選型時(shí)要注意渦街(jiē)流量計 的(de)最小流量的(de)限制[4-5]。随著(zhe)科學技術的(de)發展，目前也(yě)有一些廠家的(de)渦街(jiē)流量計 可(kě)對(duì)不同雷諾數段的(de)St值進行分(fēn)段補償，如Endress+Hause的(de)Prowirl73型的(de)渦街(jiē)流量計 。

  2 渦街(jiē)流量計的(de)結構

    根據卡門渦街(jiē)原理(lǐ)設計制造的(de)渦街(jiē)流量計 ，由于設計的(de)時(shí)間及生成手段的(de)不同，其檢測方式及相應的(de)檢測原件都有所不同，所以結構也(yě)不一樣。以差動電容式渦街(jiē)流量計 爲例，在旋渦發生體後面安裝差動電容傳感器 ，該傳感器爲圓筒形，用(yòng)變極距原理(lǐ)工作。當有流體流過時(shí)，由于卡門渦街(jiē)的(de)作用(yòng)，在發生體後差生交變差壓，電容傳感器由此産生左右擺動，引起兩側電容的(de)極距發生變化(huà)，改變電容量，根據電容量的(de)變化(huà)頻(pín)率就可(kě)以得(de)知渦街(jiē)頻(pín)率。一般渦街(jiē)流量計 由傳感器和(hé)變送器 兩部份組成。傳感器包括：表體；旋渦發生體；檢測元件；法蘭等。轉換器包括：前置放大(dà)器 ；濾波整形電路；接線端子；CPU；存儲器單元；顯示單元；通(tōng)信單元等。

    渦街(jiē)抗振性主要取決于其檢測原理(lǐ)，對(duì)于差動電容的(de)渦街(jiē)傳感器，當有外界管道機械振動或有流體沖擊時(shí)，不管振動方向如何，引起電容檢測元件的(de)内外電極同時(shí)做(zuò)方向相同、變形量相等的(de)振動，而由于此時(shí)的(de)兩電極間的(de)相對(duì)距離保持不變，電容量也(yě)沒有變化(huà)。所以差動電容渦街(jiē)流量計 的(de)抗振性優于壓電晶體等檢測方式的(de)渦街(jiē)流量計 。

  3 渦街(jiē)流量計 的(de)選型

    3.1 渦街(jiē)流量計 口徑的(de)選取

    儀表生産廠家不同，其選型方式會有所不同。應根據其相應的(de)選型方式，作出詳細的(de)計算(suàn)，來(lái)确定口徑的(de)大(dà)小。而不能盲目的(de)根據管道的(de)口徑選擇流量計的(de)口徑，選型時(shí)要注意：

    雷諾數限制：當雷諾數Re<5×103時(shí)，渦街(jiē)流量計 基本不能測量，當雷諾數Re<2×104時(shí)，因St非線性偏高(gāo)，所以導緻測量值偏差大(dà)；流速限制：對(duì)于測量液體流量，最大(dà)流速10m/s，測量氣體流量時(shí)，最大(dà)流速75m/s。

    爲使流量計的(de)流速大(dà)一些，渦街(jiē)流量計 工作在測量精度保證範圍内，要盡量選用(yòng)比公稱通(tōng)徑小的(de)流量計。如果流量計的(de)口徑偏大(dà)，則使流量在低限運行，使得(de)測量值不準确。

  3.2 傳感器檢測元件材質的(de)選取

    在化(huà)工場(chǎng)合，許多(duō)介質時(shí)帶有腐蝕性的(de)，因此在選型時(shí)應根據相應的(de)介質選擇相應的(de)傳感器材質。否則傳感器或旋渦發生體被腐蝕後，輕者會影(yǐng)響測量，重者使儀表無法正常測量，甚至發生介質洩露的(de)事故。

3.3 粘度較大(dà)或易沉澱的(de)流體

    當測量粘度較大(dà)或者易沉澱的(de)流體，會在渦街(jiē)發生體表面有粘附或沉積物(wù)時(shí)會使發生體的(de)形狀和(hé)尺寸變化(huà)，影(yǐng)響儀表系數；而傳感器表面有粘附或沉澱物(wù)時(shí)，儀表的(de)靈敏度會降低。對(duì)此建議(yì)選用(yòng)其他(tā)原理(lǐ)的(de)流量計，或經常清洗流量計傳感器和(hé)旋渦發生體。

  4 渦街(jiē)流量計 的(de)安裝要點

    （1）選擇合理(lǐ)的(de)安裝場(chǎng)所。如避開強電力設備、高(gāo)頻(pín)設備、強電源開關設備；避開高(gāo)溫熱(rè)源和(hé)輻射熱(rè)源的(de)影(yǐng)響；避開強烈振動。

    （2）上下(xià)遊直管段滿足要求。不同的(de)阻流件對(duì)流場(chǎng)的(de)影(yǐng)響是不一樣的(de)，在突縮和(hé)突擴管段可(kě)能在肩部形成二次流，在彎管位置在流動方向突然改變的(de)彎管内外側将形成二次流，在流通(tōng)截面積突然改變的(de)閥門位置流動也(yě)将受到影(yǐng)響。因此不同阻流件對(duì)直管段的(de)要求也(yě)不同，見圖3，如流量計前有一個(gè)彎頭時(shí)，前面的(de)直管段要求20倍的(de)管道内徑，後面的(de)直管段要求5倍的(de)管道内徑。而流量計前有兩個(gè)彎頭時(shí)，前面的(de)直管段要求40倍的(de)管道内徑，後面的(de)直管段要求5倍的(de)管道内徑。

    （3）有振動的(de)管道，渦街(jiē)流量計 表頭水(shuǐ)平安裝，對(duì)于振動較強的(de)管系，設置減振裝置。

    （4）如有可(kě)能安裝旁通(tōng)管，便于檢修。

    （5）測量含有少量異相的(de)流體時(shí)，注意傳感器的(de)安裝位置。如測量介質中還(hái)有固體物(wù)時(shí)，流量計應安裝在不易沉澱的(de)地方；而測量介質爲氣體，其中含有液體時(shí)，應在流量計前安裝排放閥，否則會産生氣錘，損壞傳感器。

    （6）介質溫度較高(gāo)時(shí)，流量計表頭向下(xià)安裝，或選用(yòng)分(fēn)體式流量計。

    （7）渦街(jiē)流量計 信号傳輸電線應采用(yòng)金屬屏蔽電線，要有良好的(de)接地措施。遵循一點接地原則。

    （8）管道隔熱(rè)保溫。一般測量蒸汽時(shí)，管道隔熱(rè)保溫是防止能量散失的(de)重要手段，當對(duì)渦街(jiē)流量計 進行隔熱(rè)處理(lǐ)時(shí)，應确保渦街(jiē)流量計 的(de)傳感器和(hé)電路部分(fēn)暴露在外，确保熱(rè)量向外射以防止儀表電子部件過熱(rè)。

    （9）爲防止氣穴現象發生，渦街(jiē)流量計 進口壓力要滿足要求：

 （4）

    Δp-渦街(jiē)流量計 的(de)壓損；Pv-使用(yòng)溫度下(xià)的(de)液體的(de)絕對(duì)飽和(hé)蒸汽壓。

圖3 渦街(jiē)流量計 直管段最小要求

  5 渦街(jiē)流量計 測量中的(de)壓力、溫度補償

渦街(jiē)流量計 測得(de)的(de)是工作狀況下(xià)的(de)體積流量，以下(xià)情況需要壓力、溫度補償：

    （1）測量介質爲液體，輸出爲質量流量（部分(fēn)液體）；

    （2）測量介質爲氣體，輸出爲标準狀态下(xià)的(de)體積流量；

    （3）測量介質爲氣體，輸出爲質量流量[3]；

    此時(shí)，還(hái)需要一個(gè)流量積算(suàn)儀，根據一定的(de)溫度壓力補償公式來(lái)計算(suàn)出所需要的(de)流量，見圖4。

圖4 帶溫壓補償流量積算(suàn)儀的(de)測量圖

  6 影(yǐng)響渦街(jiē)流量計 測量準确度 的(de)其它因素

    6.1 旋渦發生體迎流面堆積的(de)影(yǐng)響

    如果被測流體中存在黏性顆粒，則可(kě)能會逐漸堆積在旋渦發生體迎流面上，使其幾何形狀和(hé)尺寸發生變化(huà)，因而流量系數也(yě)相應變化(huà)，影(yǐng)響見圖5所示。

圖5 旋渦發生體發生堆積時(shí)的(de)精度影(yǐng)響

    因此在使用(yòng)中要注意清理(lǐ)。

 6.2 溫度對(duì)測量的(de)影(yǐng)響

    溫度變化(huà)對(duì)測量體幾何尺寸變化(huà)的(de)影(yǐng)響有兩部分(fēn)組成，一是旋渦發生體寬度d發生變化(huà)引起的(de)；另一個(gè)就是管道内徑D變化(huà)引起的(de)。消除此影(yǐng)響一般是對(duì)K系數進行修正[5]。

（5）

    式中：Kt-流體溫度是t時(shí)的(de)流量系數；Km-流體溫度是t0時(shí)的(de)流量系數；A-常數，與渦街(jiē)流量計 的(de)材料和(hé)結構有關。

    目前一些廠家的(de)流量計已對(duì)溫度的(de)影(yǐng)響在軟件中進行固定溫度修正和(hé)實時(shí)溫度修正，如Endress+Hause的(de)Prowirl72和(hé)73型的(de)渦街(jiē)流量計 。

  6.3 配管内徑與流量計内徑不一緻造成的(de)影(yǐng)響

    一般進口儀表的(de)内徑時(shí)按照(zhào)國外标準生産的(de)，而在國内的(de)配管内徑爲國内标準的(de)，兩者之間的(de)差别有時(shí)很大(dà)，如Endress+Hause的(de)Prowirl72FDN100口徑壓力爲PN16的(de)内徑爲107.1mm，而國内的(de)爲101.0mm。對(duì)于配管内徑與流量計内徑不一緻，可(kě)分(fēn)爲兩種情況[6]：

    （1）當管道實際内徑大(dà)于儀表内徑時(shí)，兩者之間的(de)差值不超過流量計内徑的(de)3%，這(zhè)時(shí)造成的(de)誤差很小，對(duì)測量無影(yǐng)響，可(kě)無需修正。

    （2）當管道内徑小于儀表内徑，且兩者之差不超過流量計内徑的(de)2%時(shí)，産生的(de)誤差較小，可(kě)通(tōng)過對(duì)儀表系數的(de)修正進行補償，修正因子Kd爲：DN-流量計内徑；D-配管内徑。

    （3）當管道内徑與儀表内徑相差較大(dà)，由于流體經過這(zhè)種突變造成的(de)流體擾動使得(de)渦街(jiē)流量計 的(de)測量變得(de)不再穩定和(hé)可(kě)靠，造成的(de)誤差無法通(tōng)過修正K系數來(lái)補償。此時(shí)需要流量計前後安裝足夠的(de)與流量計内徑一緻的(de)直管段或流量計前安裝流場(chǎng)優化(huà)整流器，但安裝整流器後仍需一定的(de)直管段。

  7 結束語

渦街(jiē)流量計 有很多(duō)優點，價格适宜，隻要正确選用(yòng)渦街(jiē)流量計 ，進一步采取防幹擾措施，采取溫度、壓力補償等消除附加誤差的(de)辦法，渦街(jiē)流量計 在化(huà)工領域中将有廣泛的(de)應用(yòng)前景。通(tōng)過選型中選擇合适的(de)流量計口徑，對(duì)某些工況進行溫度壓力補償，以及配管内徑與流量計内徑的(de)協調等方面提出來(lái)改善渦街(jiē)流量計 測量準确度 的(de)方案，爲儀表的(de)選型、安裝、管理(lǐ)與維護的(de)提供了(le)指導性建議(yì)。